第四章 高速公路平面设计(11427).ppt

第四章高速公路平面设计,第四章高速公路平面设计,第一节直线,直线是平面线形中最基本的线形要素之一，具有明确的方向性，能以最短的距离连接两控制点，现场最容易布设。只要地形开阔无障碍物，以直线设计为最经济。,第一节直线,直线的缺点(1)直线过长时由于单调往往引起司机疲劳、打瞌睡；并且急于驶出该路段，容易超速，加上反应迟钝，目测车距出现误差。(2)增加夜间眩光危险，对地形变化不易适应及破坏线形与环境的协调。(3)长直线段反而成为事故路段。,直线特点,高速公路设计原则：满足技术标准；安全；美观。直线优缺点：优点：直线距离短、方向明确、视野宽广、节省行车时间、降低道路造价缺点：宜引起驾驶员疲劳麻痹，或容易超速；目测出现误差；增加夜间眩光危险；景色单调，线形呆板，灵活性差。对于高速公路的线形：宜尽量避免采用长直线，甚至倾向于全部设在曲线上,第一节直线,一些国家对直线长度的规定(1)德国规定为不超过20v(v,km/h)，相当于72s的行程；(2)原苏联规定为8km；(3)美国规定为3mile(4.83km)。,第一节直线,日本对直线长度的规定(1)“适宜的直线最大长度（以m计）为设计时速的20V倍，最小长度为设计时速的2V倍。(2)反向曲线间的直线最小长度采用设计时速的2V倍，同向曲线间的直线最小长度为设计时速的6V倍。(3)上述直线最大长度，是以汽车按设计时速行驶约70s时间而定出的。,第一节直线,采用直线地段的规定(1)地形、地物完全不受限制的平坦地区或山间的宽阔河谷地带。(2)公路通过市区或近郊按直线形规划的地区，为节约用地和与周围人工景观协调，也宜采用直线。(3)在长大桥梁或长的高架构造物、隧道等地段，从施工的方便与经济性考虑也宜用直线。,我国直线设计标准,公路路线设计规范(JTJ01194)规定：(1)同向曲线间最小直线长度(以m汁)以不小于行车速度(以km/h计)的6倍为宜；(2)反问曲线间最小直线长度(以m计)以不小于行车速度(以km/h计)的2倍为宜。,对直线最大长度，我国没规定。仅指出：最大长度应有所限制，采用长直线时，应据实际情况采取相应措施,二、圆曲线,在高速公路平面定线中，大半径的圆曲线是首选要素。圆曲线优缺点：优点：柔和的几何线形、较好地适应地形、匀顺圆滑的线形、灵活变换方向、自然地诱导视线、景色多样有趣。缺点：会增长距离、受力比较复杂，会增加轮胎的磨损和路面的破坏。应尽量选用较大的半径，以改善车辆在曲线上的行驶条件。,圆曲线半径确定P50,确定方法：根据汽车行驶横向稳定性(滑移、倾覆)而定，并以滑移稳定控制。,Wp=Fp(2)WpFp应考虑横向力系数u,横向力系数,计算公式：图4-1,平曲线半径计算公式：,横向力系数P51,取决于行驶稳定性、乘客舒适程度以及运营经济。,第二节圆曲线,一、圆曲线最小半径1.平面线形公路平面线形常采用的有：直线、圆曲线和缓和曲线及其三种线形的组合。缓和曲线的线形有：回旋曲线、三次抛物线和双纽曲线，常用的是回旋曲线。2.圆曲线线形要素主要包括曲线最小半径（极限最小、一般最小、不设超高最小）、曲线最小长度。,第二节圆曲线,离心力的计算公式：,第二节圆曲线,离心力的计算公式：(由平衡关系求出最小半径),第二节圆曲线,半径R的计算公式：,最小半径选择,极限最小半径：指圆曲线半径采用的最小极限值。不设超高的最小半径：指道路曲线半径较大、离心力较小时，汽车沿双向路拱(不设超高)外侧行驶的路面摩擦力足以保证汽车行驶安全稳定所采用的最小半径。一般最小半径：指在通常情况下汽车依设计车速能安全、舒适行驶的最小半径。,最小半径选择,我国公路工程技术标准对高速公路平面圆曲线三种半径规定,第二节圆曲线,四、视觉舒顺所要求的曲线半径（P52）从道路路线线形视觉舒顺与美感考虑，前苏联研究得出：设计车速、曲线半径与纵坡的关系：式中：V-计算行车速度（km/h）;i-纵坡度（%）,第三节缓和曲线,当汽车从直线段进入圆曲线时，司机应将前轮转一个角度，使其逐渐适应相应半径的曲线。直线上半径为无穷大，圆曲线段半径为R。前轮的逐渐转向适应曲率半径不断变化的行驶轨迹，这一变化路段即为缓和曲线。,第三节缓和曲线,缓和曲线的形式图1双纽曲线图2三种曲线的比较,第三节缓和曲线,第三节缓和曲线,二、回旋线的数学表达回旋曲线在数学上又叫欧拉曲线、菲涅耳螺旋线、辐射螺旋射线等，是一种按照特定的规律变化的变曲线。在回旋曲线上，任意一点的曲率半径与该点至曲线起点的曲线长之乘积为一常数,三、缓和曲线P54,缓和曲线的作用：曲率的逐渐变化，便于驾驶与路线顺杨，以构成最佳的线形；离心加速度的逐渐变化，使汽车不致产生侧向滑移；作为行车道横坡变化的过渡段，以减少行车震荡。缓和曲线常用形式：回旋线。不设缓和曲线的场合：（P53页表4-5、4-6）公路上程技术标准规定：,三、缓和曲线,省略：当内移值与已包括在车道中的富裕宽度相比为很小时，则可将中间的缓和曲线省略。,第三节缓和曲线,二、曲线最小长度汽车在道路曲线上行驶时，如果曲线很短，则司机操作方向盘频繁，在高速驾驶的情况下是危险的。如不设置足够长度的曲线使离心加速变化率小于一定数值，从乘客心理状况来说，情况也是不好的。为使司机在曲线上行驶不感到方向盘操作的困难，按超过6s时间设置曲线长度是适宜的。,曲线最小长度按下述三个条件确定：（1）依司机操作反应，取操作反应时间为3s（2）依离心加速变化率，取离心加速变化率p=0.5(m/s3)（3）依道路曲线偏角对人的视觉而定,第三节缓和曲线,缓和曲线长度确定,(1)按照离心加速度变化率确定缓和曲线最小长度(2)依驾驶员操作反应时间确定缓和曲线最小长度(3)回旋线一圆曲线一回旋线1:1:1,四、平曲线最小长度P57,高速公路平曲线包括：圆曲线和两端的回旋线(或超高、加宽缓和段)。平曲线最小长度：,7时，平曲线最小长度：,四、平曲线最小长度,7时，平曲线最小长度：,五、超高与加宽P58,超高：曲线段超高(单向横坡)的设置，在于防止车轮在路面上的横向滑移，并使路面在利于排水的前提下，把行车引起的横向力影响减少到最低的程度。超高设置条件：圆曲线半径小于表43所列不设超高的最小半径超高计算式：,四、平曲线最小长度,7时，平曲线最小长度：,五、超高与加宽P58,超高：曲线段超高(单向横坡)的设置，在于防止车轮在路面上的横向滑移，并使路面在利于排水的前提下，把行车引起的横向力影响减少到最低的程度。超高设置条件：圆曲线半径小于表43所列不设超高的最小半径超高计算式：,五、超高与加宽,超高横坡变化方式：（超高渐变的原则）(1)绕中间带的中心线旋转图(47a)(2)绕中央分隔带边缘旋转(图47b)(3)绕各自行车道中线旋转(图47c),五、超高与加宽,加宽在曲线上行驶的汽车占有较大的宽度必须将车道宽度加宽。,五、超高与加宽,曲线上双车道路面的加宽值计算式：,五、超高与加宽,公路路线设计规范规定：高速公路一般采用第3类加宽值；高速公路主线仅在V60km/h的山区，当R250m曲线段时予以考虑加宽。高速公路曲线加宽缓和段的加宽,第二节平面线形的组合P62,一、基本型二、S型三、卵型四、凸型五、复合型六、C型,一、基本型,线形组合:直线一回旋线一圆曲线一回旋线一直线回旋线一圆曲线一回旋线=1:1:1形式:对称圆曲线两侧的回旋线长度相等不对称两侧采用不相等的凹旋线,二、S型,线形组合:两个回旋线连接两个反向圆曲线注意事项:两个回旋线参数A1与A2宜相等若不相等时,A1/A21.5orZ0需将阴影部分去除，ZZ0视距可保证Z0计算式见表4-18P68和图20-22P69,横净距,横净距,视距,视距计算用包络线,2).视觉分析,分析的必要性：视距会随车速增加而降低，影响行车安全。如图4-23公路上程技术标准规定：对高速公路的必要路段，应采用透视图法进行检验公路路线设计规范(JTJ01194):有条件时可运用动态连续透视图进行检验,2).视觉分析,视觉分析注意事项：在高速公路进出隧道段时，要注意视觉上的明和暗；高速公路遇到桥梁时，也应从视觉的角度考察，桥上线形与桥头两端引道线形是否能很好配合；驾驶员与乘客感到通视良好，线形流畅、景观自然、舒适和安全；应使驾驶员在视觉系统上能预知公路方向和路况的变化，并能有效地采取安全行驶的措施。,3).线形的协调,考虑因素：保证安全和具备良好景观协调原则：既要防止线形的急剧变化，又要防止长距离的线形呆板与单调协调要求：上一个曲线和下一个曲线的配合，应满足如图4-15所作研究的规定；P63缓和曲线、圆曲线、和曲线相互之间近似地保持1:1:1的要求。,4).环境与景观设计,对环境的影响：噪声影响、空气和水资源污染影响、生态环境影响等注意事项：应注意消除对环境的有害影响，改善和美化景观；应全面考虑沿线社会环境与自然环境；合理确定公路与被保护区域的相对位置，尽可能地防止或减轻对环境的不利影晌。景观设计：P71自然景观：天然形成的地形、地貌和地物；人文景观：人类为满足各种物质扣生活需要而建立的各种建筑物、设施和文化艺术景物。,4.基于曲线的平面定线方法,高速公路应用曲线定线法的原因：高速公路往往以曲线为主，路线的大部分其至近于全部是圆曲线和回旋线之间的相互衔接；计算机技术的广泛应用，使得曲线法计算复杂的矛盾得到了解决；采用航测手段或全站仪地面速测手段获得较大比例尺带状等高线地形图具备条件，可以用来作为进行纸上定线的底图。曲线定线法原则：首先在需要设置弯道的地方根据地形、地物的要求布设一系列圆曲线（包括直线），然后在这些圆曲线之间用回旋线或直线连接，形成平面线形(见图4-25)。,4.基于曲线的平面定线方法,曲线法定线过程：布设控制导线测绘带状地形图进行纸上定线(或计算机定线)。定线时采用以曲线为基础的曲线法。设计模型：P72-73直线与圆弧间的连接两同向圆弧间的连接两反向圆弧间的连接,导线法与曲线法定线图,直线与圆弧间的连接,圆和直线位置定，求连接圆和直线的回旋线长Ls（或回旋线参数A),Ls,两同向圆弧间的连接,两种情况：一圆在另一圆内：,M点,两同向圆弧间的连接,两圆相离：两段完整的回旋线相连,两反向圆弧间的连接,只能用两段完整的回旋线相连,第四节平面图的绘制,作用：反映了路线的平面位置、线形和尺寸、沿线人工构造物和工程设施的布置以及道路与周围环境、地形、地物的关系。平面图包含内容：P76公路上程基本建设项目设计文件编制办法要求应绘出地形、地物，示出路线(标出里程桩号、断链、平曲线要素及主要桩位）、水准点、大中桥、路线交叉(注明形式及结构类型)、隧道、主要沿线设施的位置以及县以上分界线等。高速公路还包括：示出坐标格网、导线点、列出导线点及交点坐标表比例尺用1:2000，平原微丘区可用1:5000,高速公路平面图,比例尺1:10000两侧给出了不小于500m宽度的地形和地物1:2000路中线两侧各为100200mm1:5000两侧各不小于250mm,组合及设计要领,一、平面线形的组合通常有基本型、S型、卵型、凸型和复合型等五种类型。二、平面线形设计要领平面线形应当是连续、平顺、均衡。高速公路平面线形趋向于以曲线为主的设计，使路线在满足行车动力要求条件下，考虑线形视觉的舒顺，以保证汽车的高速与安全。,补充内容:曲线要素计算与测设,为保证车辆平稳运行，需在线路改变方向处加设曲线进行过渡。圆曲线：具有一定半径的圆弧。平面曲线缓和曲线：半径R由无穷大渐变到圆曲线半径。曲线主点测设曲线测设曲线详细测设,曲线测设,教学目标：了解缓和曲线的性质，掌握缓和曲线方程、缓和曲线常数和曲线综合要素计算、主要点里程计算的方法。重点难点：缓和曲线方程、缓和曲线常数和曲线综合要素计算、主要点里程计算。,主点测设：在地面上标定出不同线型的分界点及曲中点。曲线详细测设：测设出具有一定密度的线路中线点。如果使用测距仪或全站仪按任意点极坐标法测设曲线，则曲线主点和曲线详细点可同时设出。,圆曲线主点及要素计算,一、圆曲线的主点ZY、QZ、YZ,R圆曲线半径（设计选配）转向角（现场实测）,4、切曲差：,R,二、圆曲线的要素计算,1、切线长：,2、曲线长：,3、外矢距：,推算方向是：ZDZY1QZ1YZ1ZY2QZ2YZ2。,三、曲线主点里程推算,例1已知线路转点ZD的里程为K125+032.58，其它已知数据如表1，试推算各主点的里程。,表1曲线资料,表2曲线要素计算表,里程推算：ZDDK125+032.58+（D1-T1）888.14ZY1DK125+920.72+L1/2140.77QZ1DKI26+061.49+L1/2140.77YZ1DK126+202.26+（D2-T1-T2）467.09ZY2DK126+669.35+L2/2111.28QZ2DK126+780.63+L2/2111.29YZ2DK126+891.92,检核计算：ZY1DK125+920.72+2T1289.22DK126+209.94-q7.68YZ1DK126+202.26ZY2DK126+669.35+2T2226.32DK126+895.67-q3.75YZ2DK126+891.92,缓和曲线：直线与圆曲线之间的一段过渡曲线。一、作用和性质作用：超高过渡：外轨超高加宽过渡：内轨加宽,缓和曲线,运动状态过渡：匀速直线运动匀速圆周运动,RP1/lP或RP=C/lPC缓和曲线半径的变更率在HY（YH）处，RP=R，则C=Rl0,性质：,HY,J,D,R,R,ZH,R,P,l,p,P,1、缓和曲线坐标系原点：ZH（HZ）。X轴正向：沿切线指向JD。Y轴正向：过原点与切线垂直，指向内侧。,二、缓和曲线的方程,过P点的切线与X轴的夹角,2、缓和曲线角,将cos、sin按级数展开：,3、坐标X、Y,Y,X,积分得：,铁路或公路设计中，圆曲线半径一般要大于200m，因此式中的n值通常取2，且为,(5-6),(5-4),显然，式（5-4）是交错级数，且各项的绝对值又依次递减，故其截断误差可按下式估算：,例2已知某曲线设计时选配的圆曲线半径R=200m，缓和曲线长l0=70m，若n=2试按（5-5）式估算坐标计算的截断误差。解,我国采用的方法：圆曲线R半径不变,圆心内移,插入缓和曲线,三、加缓和曲线后曲线的变化,R,变化1：圆心移动,变化2：园曲线减短l0,变化3：曲线总长度增加l0,四、缓和曲线常数,1.缓和曲线切线角,将lp=l0代入缓和曲线方程(5-6)得：,2.缓和曲线终点横坐标,3.缓和曲线终点纵坐标,4.内移距pp=（y0+Rcos0）-R,6.缓和曲线偏角,7.缓和曲线反偏角b0=00,0,5.切垂距m=x0Rsin0,一、曲线主点1、ZH2、HY3、QZ4、YH5、HZ,曲线综合要素计算及主点测设,二、曲线综合要素计算,例3已知线路某转点ZD的里程为DK25+536.32，ZD到JD的距离为D=893.86m。R=500m，l0=60m，Z=355123，试计算缓和曲线常数和综合要素并推算各主点的里程。解1缓和曲线常数：,三、主点里程推算,p=（y0+Rcos0）